在与变压吸附系统集成的低温空气分离单元中用于增加氩回收的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种用于增加氩回收的方法和装置，其中不纯的氩流在低温空气分离单元内与空气分离，并在集成的多塔板变压吸附系统内被纯化，以产生具有高氩回收水平的产品级氩。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在与变压吸附系统集成的低温空气分离单元中用于增加氩回收的方法和装置
本专利技术涉及一种用于增加氩回收的方法和装置，其中粗氩在低温空气分离设备中与空气分离，并在集成的多塔板变压吸附系统中被纯化，以产生具有高氩回收水平的产品级氩。
技术介绍
氩是用于一些高温工业过程诸如炼钢中的高惰性元素。氩还用于各种类型的金属加工工艺诸如电弧焊接以及电子工业例如硅晶体生长工艺中。氩的其它用途包括医学、科学、防腐和照明应用。虽然氩仅构成环境空气的一小部分(即，0.93体积％)，但是与也从空气分离设备中回收的氧气和氮气产品相比，它具有相对较高的值。通常在Linde型双塔低温空气分离布置中通过以下方式回收氩：从较低压力塔中提取富氩蒸汽抽取物并将该物流引至“超级塔板化”塔或粗氩塔来回收氩。这种氩蒸馏工艺通常包括位于氩塔上方的氩冷凝单元。在将氩冷凝负荷引入低压蒸馏塔中之前，通常将其传递至富氧塔底流或釜物流的至少一部分。可通过这种“超级塔板化”蒸馏工艺以大约90至180个塔板分离或制得商用液体纯度的氩(例如，氧为约1000ppm至1ppm)，或通过大约20至50个塔板分离制得中间纯度的氩(例如，氧为约15％至1％)。在一些应用中，随后常常通过采用氢的催化氧化方法对中间纯度的氩进行精制。现代空气分离设备几乎全部采用超级塔板化蒸馏工艺进行高纯度氩回收。典型的三塔式氩产生空气分离单元的缺点在于，回收高纯度氩产物需要与氩回收以及所得的塔和冷箱高度(通常超过200英尺)相关联的额外的资本成本。因此，为获得高纯度氩需要相当多的资本支出，包括单独的氩塔、多个冷箱塔段、液体回流/返回泵等的资本支出。另一种产生高纯度氩的方法是从空气分离设备中提取包含较低纯度氩的流，并且使用基于吸附剂的纯化系统对该含氩流进行纯化。已经出现将低温空气分离单元与基于吸附剂的纯化系统相结合以除去含氮物流中的氧、氮及其它污染物的方法。参见例如美国专利No.4,717,406；5,685,172；7,501,009；和5,601,634；这些专利中的每个均在下文予以简要描述。US4,717,406公开了一种液相吸附方法，其中将来自低温设备的进料流引导到基于吸附的纯化系统。基于吸附的纯化系统用于在将液化气体引入液体储罐中之前对其进行纯化。目标应用包括除去电子级气体中的水和二氧化碳，并且该专利技术所公开的吸附床的再生方法是变温法。US5,685,172详述了目的在于除去各种惰性气体中的痕量氧和一氧化碳的方法。该方法还提到直接液体处理，并且引用氩作为示例性流体。详述了作为氧的吸附剂的金属氧化物(CuO、MnO2)。通过在适度温度(例如，150℃至250℃)下使用还原气体诸如氢气来实现再生。还原气体的使用使得难以将吸附床与空气分离单元集成，因为还原气体无法在空气分离单元中进行制备，而必须由外部提供以使吸附剂再生。更重要的是，在吸附床的再生过程中，富氩流体将从该工艺中损失。US7,501,009公开了用于氩纯化的循环吸附方法。该方法可在低温下操作，同时对气态粗氩进行处理。提到以沸石作为该专利技术所公开的变压吸附(PSA)系统的可能的吸附剂。将再生气体引回氩-氧精馏塔。US5,601,634将典型的低温空气分离单元与变压吸附(PSA)系统结合，其中在吸附床中除去来自低温空气分离单元的蒸馏塔的氩进料中所包含的氮和氧。所有上述现有技术解决方案都仅关注将低温空气分离单元和基于吸附的纯化布置结合的基于吸附剂的纯化系统的改进，而未解决低温空气分离单元所需的改进，包括如本专利技术的解决方案所设想的使用设置在较低压力塔内部的分隔壁除氩塔和氩冷凝器。现有技术文献(包括教导使用分隔壁塔除氩的一些现有技术参考文献)中明确报道了分隔壁塔的用途。参见例如美国专利No.8,480,860；7,234,691；6,250,106；6,240,744；和6,023,945。此外，美国专利No.5,114,445教导了通过将氩冷凝器放置在较低压力塔内以作为将粗氩塔的顶部与较低压力塔热连接的装置的一部分来提高氩的回收率，并且教导了最合适的氩冷凝器的位置是较低压力塔内的中间位置，具体地是由来自较高压力塔的粗液氧塔底产物的进料点与粗氩塔的蒸汽进料抽取管线界定的较低压力塔的塔段。上述现有技术方法和系统中的每一种提供了对低温空气分离设备的操作效率以及在一些情况下对氩的回收率的渐进式改进。然而，现有技术参考文献中的每一者都存在明显的缺点或设计困难，其导致资本成本提高、设备构造复杂和/或氩回收效率低下。因此，仍然需要进一步改进现有的与蒸馏塔和低温空气分离单元的循环完全集成的除氩和回收工艺或布置。具体地，对于一些低温空气分离单元，需要在空气分离循环内设计灵活的除氩和回收方法，该方法消除或延迟与氩回收相关联的一些前期资本成本，但是允许将来在氩生产要求改变时将氩回收轻松加至低温空气分离单元。
技术实现思路
本专利技术的特征可在于在与变压吸附系统集成的低温空气分离单元中产生纯化液氩产物的方法，该方法包括以下步骤：(i)在低温空气分离单元的较低压力塔内将氩从包含氧-氩的流中分离，氩从包含氧-氩的流中的分离产生具有介于约4％和25％之间的氧杂质的不纯的氩流；(ii)将不纯的氩流加温至介于约200K和300K之间的温度；(iii)将不纯的氩流加压至介于80psig和120psig之间的压力；(iv)通过将不纯的氩流引入具有至少两个吸附床的第一塔板变压吸附系统中来纯化不纯的氩流，每个吸附床具有被构造用于吸附不纯的氩流中氧杂质的吸附剂，并且第一塔板变压吸附系统中的每个吸附床被构造为产生高纯度氩流以及包含氩-氧的第一废物流；(v)进一步压缩包含氩-氧的第一废物流；(vi)将包含氩-氧的第一废物流引入具有至少两个吸附床的第二塔板变压吸附系统中，每个吸附床具有被构造用于吸附包含氩-氧的第一废物流中的氧杂质的吸附剂，并且第二塔板变压吸附系统中的每个吸附床被构造为产生中等纯度氩流以及包含氩-氧的第二废物流；以及(vii)将中等纯度氩流再循环到第一塔板变压吸附系统的上游位置，或者再循环低温空气分离单元中的氩精馏塔。此外，本方法任选地包括另外的步骤：(viii)将包含氩-氧的第二废物流引入具有至少两个吸附床的第三塔板变压吸附系统中，每个吸附床具有被构造用于吸附包含氩-氧的第二废物流中的氧杂质的吸附剂，并且第三塔板变压吸附系统中的每个吸附床被构造为产生低纯度氩流以及包含氩-氧的第三废物流；以及(ix)将低纯度氩流再循环到第一塔板变压吸附系统的上游位置，并将低纯度氩流与不纯的氩流混合，或者将低纯度氩流再循环到第二塔板变压吸附系统的上游位置，并将低纯度氩流与包含氩-氧的第一废物流混合。一般来讲，第二塔板变压吸附系统的尺寸小于第一塔板变压吸附系统的尺寸，而第三塔板变压吸附系统的尺寸甚至比第二塔板变压吸附系统的尺寸更小。本专利技术的特征还可在于用于在与变压吸附系统集成的低温空气分离单元中产生纯化的氩产物的装置，该装置包括：(a)具有较高压力塔、较低压力塔和氩精馏塔的低温空气分离单元，该氩精馏塔被构造为从包含氧-氩的流产生具有介于约4％和25％之间的氧杂质的不纯的氩流，该包含氧-氩的流从较低压力塔引入氩精馏塔中；(b)热交换器，该热交换器被构造为逆着纯化的氩产物流或逆着热的压缩纯化空气流将不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在与变压吸附系统集成的低温空气分离单元中产生纯化的氩产物的方法，所述方法包括以下步骤：在所述低温空气分离单元的较低压力塔内将氩从包含氧‑氩的流中分离，所述氩从所述包含氧‑氩的流中的分离产生具有介于约4％和25％之间的氧杂质的不纯的氩流；对所述不纯的氩流加温；压缩所述不纯的氩流；通过将所述不纯的氩流引入具有至少两个吸附床的第一塔板变压吸附系统中来纯化所述不纯的氩流，每个吸附床具有被构造用于吸附所述不纯的氩流中的所述氧杂质的吸附剂，并且所述第一塔板变压吸附系统中的每个吸附床被构造为产生高纯度氩流以及包含氩‑氧的第一废物流；进一步压缩所述包含氩‑氧的第一废物流；将所述包含氩‑氧的第一废物流引入具有至少两个吸附床的第二塔板变压吸附系统中，每个吸附床具有被构造用于吸附所述包含氩‑氧的第一废物流中的所述氧杂质的吸附剂，并且所述第二塔板变压吸附系统中的每个吸附床被构造为产生中等纯度氩流以及包含氩‑氧的第二废物流；将所述中等纯度氩流再循环到所述第一塔板变压吸附系统的上游位置，或者再循环到所述低温空气分离单元中的氩精馏塔。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.31 US 62/199483;2016.03.01 US 15/0571561.一种在与变压吸附系统集成的低温空气分离单元中产生纯化的氩产物的方法，所述方法包括以下步骤：在所述低温空气分离单元的较低压力塔内将氩从包含氧-氩的流中分离，所述氩从所述包含氧-氩的流中的分离产生具有介于约4％和25％之间的氧杂质的不纯的氩流；对所述不纯的氩流加温；压缩所述不纯的氩流；通过将所述不纯的氩流引入具有至少两个吸附床的第一塔板变压吸附系统中来纯化所述不纯的氩流，每个吸附床具有被构造用于吸附所述不纯的氩流中的所述氧杂质的吸附剂，并且所述第一塔板变压吸附系统中的每个吸附床被构造为产生高纯度氩流以及包含氩-氧的第一废物流；进一步压缩所述包含氩-氧的第一废物流；将所述包含氩-氧的第一废物流引入具有至少两个吸附床的第二塔板变压吸附系统中，每个吸附床具有被构造用于吸附所述包含氩-氧的第一废物流中的所述氧杂质的吸附剂，并且所述第二塔板变压吸附系统中的每个吸附床被构造为产生中等纯度氩流以及包含氩-氧的第二废物流；将所述中等纯度氩流再循环到所述第一塔板变压吸附系统的上游位置，或者再循环到所述低温空气分离单元中的氩精馏塔。2.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述包含氩-氧的第二废物流再循环到所述低温空气分离单元中的氩精馏塔的步骤。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二塔板变压吸附系统的尺寸小于所述第一塔板变压吸附系统的尺寸。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述不纯的氩流的总氩回收率大于约70％。5.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：将所述包含氩-氧的第二废物流引入具有至少两个吸附床的第三塔板变压吸附系统中，每个吸附床具有被构造用于吸附所述包含氩-氧的第二废物流中的所述氧杂质的吸附剂，并且所述第三塔板变压吸附系统中的每个吸附床被构造为产生低纯度氩流以及包含氩-氧的第三废物流；以及将所述低纯度氩流再循环到所述第一塔板变压吸附系统的上游位置，并将所述低纯度氩流与所述不纯的氩流混合，或者将所述低纯度氩流再循环到所述第二塔板变压吸附系统的上游位置，并将所述低纯度氩流与所述包含氩-氧的第一废物流混合。6.根据权利要求5所述的方法，还包括将所述包含氩-氧的第三废物流再循环到所述低温空气分离单元中的氩精馏塔的步骤。7.根据权利要求5所述的方法，其中所述第三塔板变压吸附系统的尺寸小于所述第二塔板变压吸附系统的尺寸，并且其中所述第二塔板变压吸附系统的尺寸小于所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜海，N·A·斯蒂芬森，N·M·普罗塞，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US